材料與材料性能PPT課件

1、 變動(dòng)載荷是指載荷的大小、方向隨時(shí)間變化的載荷，其單位面積上的平均值為變動(dòng)應(yīng)力。 變動(dòng)應(yīng)力可分為周期變動(dòng)應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）和無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力。 生產(chǎn)中機(jī)件正常工作時(shí)，其變動(dòng)應(yīng)力多為循環(huán)應(yīng)力。n變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力第五章 金屬的疲勞第1頁/共63頁圖 變動(dòng)應(yīng)力示意圖a)應(yīng)力大小變化 b)、c)應(yīng)力大小及方向都變化 d)應(yīng)力大小及方向無規(guī)則的變化n 變動(dòng)應(yīng)力第五章 金屬的疲勞第2頁/共63頁循環(huán)應(yīng)力的波形有正弦波、矩形波和三角波等。表征應(yīng)力循環(huán)特征的參量有：v最大循環(huán)應(yīng)力max，最小循環(huán)應(yīng)力minv平均應(yīng)力:m=(max+min)/2v應(yīng)力幅或應(yīng)力范圍:a=(max-min)/2v應(yīng)力比:r=m

2、in/maxn 循環(huán)應(yīng)力及其特征參量循環(huán)應(yīng)力及其特征參量第五章 金屬的疲勞第3頁/共63頁圖 循環(huán)應(yīng)力的類型a)、e) 交變應(yīng)力 b)、c)、d) 重復(fù)循環(huán)應(yīng)力對(duì)稱交變應(yīng)力m=0,r=-1脈動(dòng)應(yīng)力m=a0,r=0m=aa,0r1不對(duì)稱交變應(yīng)力-1r105周次，斷裂應(yīng)力水平較低，0的情況下進(jìn)行的。從右圖可知，隨著r的增加，曲線向左上方移動(dòng)，使da/dN升高，而且在I、III的影響比在II區(qū)的大。第五章 金屬的疲勞第41頁/共63頁n 過載峰的影響實(shí)際機(jī)件在工作時(shí)很難一直是恒定載荷，往往會(huì)有偶然過載。實(shí)驗(yàn)表明：在恒載裂紋疲勞擴(kuò)展區(qū)內(nèi)，適當(dāng)?shù)倪^載峰會(huì)使裂紋擴(kuò)展減慢或停滯一段時(shí)間，發(fā)生裂紋擴(kuò)展過載停滯

3、現(xiàn)象，并延長(zhǎng)疲勞壽命。第五章 金屬的疲勞第42頁/共63頁裂紋擴(kuò)展發(fā)生過載停滯的原因，可用裂紋尖端塑性區(qū)的殘余應(yīng)力影響來說明。在應(yīng)力循環(huán)正半周時(shí)，過載拉應(yīng)力產(chǎn)生較大的塑性區(qū)，當(dāng)這個(gè)較大的塑性區(qū)在循環(huán)負(fù)半周時(shí)，因阻止周圍彈性變形恢復(fù)而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，這個(gè)壓應(yīng)力迭加于裂紋上，使裂紋提前閉合，減少裂紋尖端的K，從而降低da/dN，這種影響一般稱為裂紋閉合效應(yīng)。第五章 金屬的疲勞第43頁/共63頁n 材料組織的影響在材料裂紋擴(kuò)展過程中，材料組織對(duì)I、III區(qū)的da/dN影響比較明顯，而對(duì)II區(qū)的da/dN影響不明顯。一般晶粒越粗大，其Kth值越高，da/dN越低。如當(dāng)鋼的淬火組織中存在一定量的殘余奧氏

4、體和貝氏體等韌性組織時(shí)，可以提高鋼的Kth，降低da/dN。第五章 金屬的疲勞第44頁/共63頁n 疲勞裂紋萌生機(jī)理宏觀疲勞裂紋是由微觀裂紋的形成、長(zhǎng)大及連接而成的，常將0.050.1mm的裂紋定為疲勞裂紋核，并由此確定疲勞裂紋萌生期。疲勞微觀裂紋都是由不均勻的局部滑移和顯微開裂引起的，主要方式有表面滑移帶開裂，第二相、夾雜物或其界面開裂，晶界或亞晶界開裂等。第五章 金屬的疲勞第45頁/共63頁n 滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋試驗(yàn)表明：金屬在循環(huán)應(yīng)力（-1）長(zhǎng)期作用下，即使其應(yīng)力低于屈服應(yīng)力，也會(huì)發(fā)生循環(huán)位移并形成循環(huán)滑移帶。 用電解拋光方法很難將已產(chǎn)生的表面循環(huán)滑移帶去除，即使能去除，當(dāng)對(duì)試樣重新循環(huán)

5、加載時(shí)，則循環(huán)滑移帶又在原處出現(xiàn)，這種永留或再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶稱為駐留滑移帶。 隨著加載循環(huán)周次的增加，循環(huán)滑移帶不斷加寬，當(dāng)加寬到一定程度時(shí)，由于位錯(cuò)的塞積和交割作用，便在駐留滑移帶形成微裂紋。 駐留滑移帶在加寬過程中，還會(huì)出現(xiàn)擠出脊和侵入溝，于是產(chǎn)生應(yīng)力集中和空洞，經(jīng)過一定循環(huán)后也會(huì)產(chǎn)生微裂紋。第46頁/共63頁n 滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋第五章 金屬的疲勞第47頁/共63頁n 相界面開裂產(chǎn)生裂紋 在疲勞失效分析中，常常發(fā)現(xiàn)很多疲勞源都是由材料中的第二相或夾雜物引起的，因此提出了第二相、夾雜物本身開裂的疲勞裂紋萌生機(jī)理。 只要能降低第二相或夾雜物的脆性，提高相界面強(qiáng)度，控制第二相或夾雜物的數(shù)量、形

6、態(tài)、大小和分布，使之“少、圓、小、勻”，均可抵制或延緩裂紋在第二相或夾雜物附近萌生，提高疲勞強(qiáng)度。第五章 金屬的疲勞第48頁/共63頁n 晶界開裂產(chǎn)生裂紋多晶材料由于晶界的存在和相鄰晶粒的不同取向性，位錯(cuò)在某一晶粒內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到晶界的阻礙作用，在晶界處發(fā)生位錯(cuò)塞積和應(yīng)力集中現(xiàn)象，在應(yīng)力不斷循環(huán)，晶界處的應(yīng)力集中得不到松弛時(shí)，則應(yīng)力峰越來越高，當(dāng)超過晶界強(qiáng)度時(shí)就會(huì)在晶界上產(chǎn)生裂紋。凡是使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔點(diǎn)夾雜物等有害元素和成分偏析、晶界析氫及晶粒粗化等，均易產(chǎn)生晶界裂紋，降低疲勞強(qiáng)度。第五章 金屬的疲勞第49頁/共63頁n 疲勞裂紋擴(kuò)展過程 根據(jù)裂紋擴(kuò)展方向，裂紋擴(kuò)展可分

7、為兩個(gè)階段： 第一階段：從表面?zhèn)€別侵入溝（或擠出脊）先形成微裂紋，然后裂紋主要沿主滑移系方向，以純剪切方式向內(nèi)擴(kuò)展。 此階段，裂紋擴(kuò)展速率很低，每個(gè)應(yīng)力循環(huán)約有0.1微米數(shù)量級(jí)的擴(kuò)展率， 第一階段裂紋擴(kuò)展時(shí)，由于晶界的不斷阻礙作用，裂紋擴(kuò)展逐漸轉(zhuǎn)向垂直拉應(yīng)力方向，進(jìn)入第二階段擴(kuò)展。第二階段中通常只有一個(gè)裂紋擴(kuò)展，可觀察到疲勞條紋。第五章 金屬的疲勞第50頁/共63頁電鏡分析表明：第二階段的斷口特征是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱為疲勞條帶條紋(疲勞輝紋)。它是裂紋擴(kuò)展時(shí)留下的微觀痕跡，每條帶可以視為應(yīng)力循環(huán)的擴(kuò)展痕跡，裂紋的擴(kuò)展方向與條帶垂直。一般來講，材料強(qiáng)度越低，裂紋擴(kuò)展越快，疲勞條

8、帶越寬。第五章 金屬的疲勞n 疲勞裂紋第二階段擴(kuò)展特征注意：疲勞條紋與貝紋線的區(qū)別疲勞條紋：微觀特征貝紋線：宏觀特征兩者可同時(shí)出現(xiàn)，或分別出現(xiàn)。第51頁/共63頁n 塑性材料中，疲勞裂紋擴(kuò)展模型塑性材料中，疲勞裂紋擴(kuò)展模型(塑性鈍化模型塑性鈍化模型)材料力學(xué)性能 第七章 疲 勞疲勞裂紋擴(kuò)展模型圖(a),在交變應(yīng)力為零時(shí)裂紋閉合，這是在開始一循環(huán)周次時(shí)的原始狀態(tài)。圖(b)，裂紋張開，在裂紋尖端沿最大切應(yīng)力方向產(chǎn)生滑移。圖(c),裂紋張開至最大，塑性變形的范圍也隨之?dāng)U大。由于塑性變形的結(jié)果，裂紋尖端的應(yīng)力集中減小，裂紋尖端鈍化。理想狀態(tài)是假定裂紋尖端張開呈半圓形，這時(shí)裂紋便停止擴(kuò)展。圖(d)，當(dāng)應(yīng)

9、力變?yōu)閴嚎s應(yīng)力時(shí)，滑移方向也改變了，裂紋表面逐被壓縮。圖(e)，到壓縮應(yīng)力為最大值時(shí)，裂紋便完全閉合，又恢復(fù)到原始狀態(tài)。第五章 金屬的疲勞第52頁/共63頁應(yīng)力集中 機(jī)件表面的缺口應(yīng)力集中，往往是引起疲勞破壞的主要原因。表面粗糙度 表面的微觀幾何形狀，如刀痕、擦傷和磨裂等，都能像微小而鋒利的缺口一樣，引起應(yīng)力集中，降低疲勞極限。 表面粗糙度越低，材料的疲勞極限越高； 表面粗糙度越高，材料的疲勞極限越低； 材料強(qiáng)度越高，表面粗糙度對(duì)疲勞極限的影響越顯著。 表面脫碳、氧化等缺陷也會(huì)降低疲勞強(qiáng)度。n 影響疲勞強(qiáng)度的主要因素第五章 金屬的疲勞第53頁/共63頁n 殘余應(yīng)力的影響殘余應(yīng)力可以與外加工作應(yīng)

10、力疊加，構(gòu)成合成總應(yīng)力。疊加殘余壓應(yīng)力，總應(yīng)力減小，疊加殘余拉應(yīng)力，總應(yīng)力增大。因此，機(jī)件表面殘余應(yīng)力狀態(tài)對(duì)疲勞強(qiáng)度（主要低應(yīng)力高周疲勞強(qiáng)度）有顯著影響。殘余壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度；殘余拉應(yīng)力降低疲勞強(qiáng)度。第五章 金屬的疲勞第54頁/共63頁表面強(qiáng)化處理可在機(jī)件表面產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力，同時(shí)還能提高機(jī)件表面的強(qiáng)度和硬度，從而提高疲勞強(qiáng)度。(1) 表面噴丸及滾壓 噴丸是用壓縮空氣將堅(jiān)硬的彈丸高速噴打向機(jī)件表面，使機(jī)件表面產(chǎn)生局部形變強(qiáng)化，同時(shí)因塑變層周圍的彈性約束，又在塑變層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。 噴丸強(qiáng)化的效果與被噴的材料強(qiáng)度有關(guān)，材料強(qiáng)度越高，噴丸效果越好，所以一般機(jī)件的噴丸總是在熱處理強(qiáng)化后進(jìn)行。

11、 表面滾壓和噴丸的作用相似，但是其壓應(yīng)力層深度較大，很適用于大工件，而且表面粗糙度低時(shí)，強(qiáng)化效果更好。n 表面強(qiáng)化的影響第五章 金屬的疲勞第55頁/共63頁n 表面熱處理及化學(xué)熱處理表面淬火包括火焰加熱淬火、感應(yīng)加熱淬火和低淬透性鋼的整體加熱薄殼淬火等。表面化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮、碳氮共滲等。它們都是利用組織相變獲得表面強(qiáng)化的工藝方法，也是常用的表面強(qiáng)化方法。在有效提高疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的同時(shí)，可提高表面耐磨性和耐蝕性。第五章 金屬的疲勞第56頁/共63頁n 材料成分及組織的影響（一）合金成分 合金成分是決定材料組織結(jié)構(gòu)的基本要素。在各種結(jié)構(gòu)工程材料中，結(jié) 構(gòu)鋼的疲勞強(qiáng)度最高，所以應(yīng)用十分廣泛

12、，這類鋼中碳是影響疲勞強(qiáng)度 的重要元素。 碳既可間隙固溶形成基體，又可形成彌散碳化物進(jìn)行彌散強(qiáng)化，提高材 料的形變抗力，阻止循環(huán)滑移帶的形成和開裂，從而阻止疲勞裂紋的萌 生和提高疲勞強(qiáng)度。（二）顯微組織 細(xì)化晶?？梢蕴岣卟牧系钠趶?qiáng)度。 結(jié)構(gòu)鋼的熱處理組織也影響疲勞強(qiáng)度。正火組織因碳化物為片狀，其疲 勞強(qiáng)度最低，淬火回火組織因碳化物為粒狀，其疲勞強(qiáng)度比正火的高。（三）非金屬夾雜物及冶金缺陷 非金屬夾雜物是鋼在冶煉時(shí)形成的，它對(duì)疲勞強(qiáng)度有明顯的影響，減少夾雜物的數(shù)量及尺寸都能有效提高疲勞強(qiáng)度； 氣孔、縮孔、偏析、折疊等冶金缺陷，會(huì)降低機(jī)件的疲勞強(qiáng)度。第五章 金屬的疲勞第57頁/共63頁n 低周疲

13、勞研究飛機(jī)、艦船、橋梁、原子反應(yīng)堆裝置及建筑設(shè)備的斷裂時(shí)發(fā)現(xiàn)：在較高應(yīng)力和較少循環(huán)次數(shù)下也會(huì)發(fā)生疲勞斷裂。材料在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為102105次的疲勞斷裂稱為低周疲勞。機(jī)件受循環(huán)應(yīng)力作用，缺口根部則受循環(huán)塑性應(yīng)變作用，疲勞裂紋總在缺口根部形成，所以這種疲勞也稱塑性疲勞或應(yīng)變疲勞。第五章 金屬的疲勞第58頁/共63頁n 低周疲勞的特點(diǎn)低周疲勞時(shí)，因局部區(qū)域產(chǎn)生宏觀塑性變形，故循環(huán)應(yīng)力與應(yīng)變之間不再呈直線關(guān)系，形成滯后回線。開始加載時(shí)，曲線沿OAB進(jìn)行，卸載時(shí)沿BC進(jìn)行；反向加載時(shí)沿CD進(jìn)行，從D點(diǎn)卸載時(shí)沿DE進(jìn)行，再次拉伸時(shí)沿EB進(jìn)行；如此循環(huán)經(jīng)過一定周次（通常不超過100周次）后，就達(dá)

14、到了圖中所示的穩(wěn)定狀態(tài)滯后回線。第五章 金屬的疲勞第59頁/共63頁n 低周疲勞的金屬循環(huán)硬化與循環(huán)軟化 定義：如果金屬材料在恒定應(yīng)變范圍循環(huán)作用下，隨著循環(huán)周次的增加，其應(yīng)力（形變抗力）不斷增加，稱為循環(huán)硬化。 如果在循環(huán)過程中，應(yīng)力逐漸減小，則為循環(huán)軟化。 不論是產(chǎn)生循環(huán)硬化還是循環(huán)軟化的材料，它們的應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線只有在應(yīng)力循環(huán)周次達(dá)到一定周次才閉合，此時(shí)即達(dá)到循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)。退火狀態(tài)的塑性材料往往表現(xiàn)為循環(huán)硬化，而加工硬化的材料則往往是循環(huán)軟化。第五章 金屬的疲勞第60頁/共63頁n 低周疲勞的應(yīng)變-壽命曲線 曼森（S. S. Manson）和柯芬（L. F. Coffin）分析了低周疲勞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和規(guī)律，提出了低周疲勞壽命的公式： 上式右邊兩項(xiàng)是兩條直線，分別代表彈性應(yīng)變幅-壽命線和塑性應(yīng)變幅-壽命線。 兩條直線迭加，就得到總應(yīng)變幅-壽命曲線。第五章 金屬的疲勞cFfbffpetNNE22222第61頁/共63頁兩條直線斜率不同，故存在一